مکانیک یا مکانیکی چیست؟

مکانیکی  حوزه فیزیک است که به روابط بین نیرو، ماده و حرکت بین اجسام فیزیکی مربوط می‌شود. نیروهای اعمال شده به اجسام ممکن است منجر به جابجایی شوند که تغییر موقعیت یک جسم نسبت به محیط آن است.

مبانی نظری این شاخه از فیزیک در یونان باستان، به عنوان مثال، در نوشته های ارسطو و ارشمیدس (به تاریخ مکانیکی کلاسیک و جدول زمانی مکانیکی کلاسیک مراجعه کنید) ریشه دارد. در اوایل دوره مدرن، دانشمندانی مانند گالیله گالیله، یوهانس کپلر، کریستیان هویگنس و آیزاک نیوتن شالوده ای را برای آنچه امروزه به عنوان مکانیکی کلاسیک شناخته می شود، پایه گذاری کردند.

به عنوان شاخه ای از فیزیک کلاسیک، مکانیکی با اجسامی که یا در حال سکون هستند یا با سرعت های بسیار کمتر از سرعت نور حرکت می کنند، سروکار دارد. همچنین می توان آن را به عنوان علم فیزیکی تعریف کرد که به حرکت و نیروهای وارد بر اجسامی که در قلمرو کوانتومی نیستند می پردازد.

دوران باستان

سیستم مکانیکی ارسطویی

فیلسوفان یونان باستان جزو اولین کسانی بودند که پیشنهاد کردند که اصول انتزاعی بر طبیعت حاکم است. نظریه اصلی مکانیکی در دوران باستان، مکانیکی ارسطویی بود، اگرچه یک نظریه جایگزین در مسائل مکانیکی شبه ارسطویی که اغلب به یکی از جانشینان او نسبت داده می شود، ارائه شده است.

سنت دیگری وجود دارد که به یونانیان باستان باز می گردد که در آن ریاضیات به طور گسترده تری برای تجزیه و تحلیل اجسام به صورت ایستا یا دینامیکی استفاده می شد، رویکردی که ممکن است توسط کارهای قبلی Archytas فیثاغورث تحریک شده باشد. نمونه هایی از این سنت شامل شبه اقلیدس (در مورد تعادل)، ارشمیدس (در مورد تعادل هواپیماها، در مورد اجسام شناور)، قهرمان (مکانیکی) و پاپوس (مجموعه، کتاب هشتم) است.

قرون وسطی

نظریه انگیزه

در قرون وسطی، نظریات ارسطو توسط تعدادی از شخصیت‌ها مورد انتقاد قرار گرفت و اصلاح شد که با جان فیلوپونوس در قرن ششم آغاز شد. مشکل اصلی حرکت پرتابه بود که توسط هیپارخوس و فیلوپونوس مورد بحث قرار گرفت.

ابن سینا، مشمول ایرانی اسلامی، نظریه حرکت خود را در کتاب شفا (1020) منتشر کرد. او گفت که نیروی محرکه ای توسط پرتاب کننده به یک پرتابه داده می شود، و آن را پایدار می دانست که برای از بین بردن آن به نیروهای خارجی مانند مقاومت هوا نیاز دارد. ابن سینا میان «نیرو» و «میل» (به نام «میل») تمایز قائل شد و استدلال کرد که یک شیء زمانی میل پیدا می‌کند که جسم در تقابل با حرکت طبیعی خود باشد. پس نتیجه گرفت که ادامه حرکت منسوب به تمایلی است که به شیء منتقل می شود و آن شیء تا زمانی که میل صرف نشود در حرکت خواهد بود. او همچنین ادعا کرد که یک پرتابه در خلاء متوقف نمی شود مگر اینکه به آن عمل شود، مطابق با قانون اول حرکت نیوتن.

هیبت الله ابوالبرکات البغدادی (متولد ناتانل، عراقی، از بغداد)، محقق عرب یهودی قرن دوازدهم، در مورد جسمی که تحت نیروی ثابت (یکنواخت) قرار دارد، اظهار داشت که نیروی ثابت شتاب ثابتی می دهد. به گفته شلومو پاینز، نظریه حرکت البغدادی «قدیمی‌ترین نفی قانون دینامیکی بنیادی ارسطو [یعنی اینکه یک نیروی ثابت حرکتی یکنواخت ایجاد می‌کند] بود، [و بنابراین یک] پیش‌بینی مبهم از قانون اساسی است. مکانیکی کلاسیک [یعنی اینکه نیرویی که پیوسته اعمال می‌شود، شتاب ایجاد می‌کند.»

ژان بوریدان، کشیش فرانسوی قرن چهاردهمی، تحت تأثیر نویسندگان قبلی مانند ابن سینا و البغدادی نظریه انگیزه را توسعه داد که بعداً به نظریه‌های مدرن اینرسی، سرعت، شتاب و تکانه تبدیل شد. این اثر و کارهای دیگر در قرن چهاردهم در انگلستان توسط ماشین حساب های آکسفورد مانند توماس برادواردین، که قوانین مختلفی را در مورد اجسام در حال سقوط مطالعه و تدوین کرد، توسعه یافت. این مفهوم که ویژگی‌های اصلی یک جسم، حرکت با شتاب یکنواخت (مانند اجسام در حال سقوط) است توسط ماشین‌حساب‌های آکسفورد در قرن چهاردهم به کار گرفته شد.

اوایل دوران مدرن

دو شخصیت اصلی در اوایل عصر مدرن گالیله گالیله و اسحاق نیوتن هستند. بیانیه نهایی گالیله در مورد مکانیکی خود، به ویژه در مورد اجسام در حال سقوط، دو علم جدید او (1638) است. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica نیوتن در سال 1687 با استفاده از ریاضیات حساب دیفرانسیل و انتگرال جدید توسعه یافته و پایه مکانیکی نیوتنی، شرح ریاضی دقیقی از مکانیکی ارائه کرد.

بر سر اولویت ایده های مختلف اختلاف نظر وجود دارد: اصول نیوتن مطمئناً کار اصلی است و بسیار تأثیرگذار بوده است، و بسیاری از نتایج ریاضیات موجود در آن نمی‌توانست پیش از این بدون توسعه حساب بیان شود. با این حال، بسیاری از ایده ها، به ویژه در مورد اینرسی و اجسام در حال سقوط، توسط محققان قبلی مانند کریستیان هویگنس و پیشینیان کمتر شناخته شده قرون وسطی ایجاد شده بود. اعتبار دقیق در مواقعی دشوار یا بحث برانگیز است زیرا زبان علمی و معیارهای اثبات تغییر کرده است، بنابراین اینکه آیا گزاره های قرون وسطایی معادل گزاره های مدرن یا اثبات کافی هستند یا در عوض مشابه اظهارات و فرضیه های مدرن هستند اغلب قابل بحث است.

عصر مدرن

 دو پیشرفت اصلی مدرن در مکانیکی نسبیت عام انیشتین و مکانیکی کوانتومی هستند که هر دو در قرن بیستم تا حدی بر اساس ایده‌های اولیه قرن نوزدهم توسعه یافتند. توسعه در مکانیکی پیوسته مدرن، به ویژه در زمینه های الاستیسیته، پلاستیسیته، دینامیک سیالات، الکترودینامیک و ترمودینامیک محیط های تغییر شکل پذیر، از نیمه دوم قرن بیستم آغاز شد.

انواع بدنه های مکانیکی

 اصطلاحی که اغلب مورد استفاده قرار می گیرد بدن نیاز به مجموعه وسیعی از اجسام دارد، از جمله ذرات، پرتابه ها، فضاپیماها، ستارگان، قطعات ماشین آلات، قطعات جامد، بخش هایی از سیالات (گازها و مایعات) و غیره.

سایر تمایزات بین زیرشاخه های مختلف مکانیکی مربوط به ماهیت بدنه هایی است که شرح داده می شود. ذرات اجسامی هستند با ساختار درونی کمی (شناخته شده) که در مکانیکی کلاسیک به عنوان نقاط ریاضی در نظر گرفته می شوند. اجسام صلب دارای اندازه و شکل هستند، اما سادگی نزدیک به ذره را حفظ می کنند و به اصطلاح چند درجه آزادی مانند جهت گیری در فضا به آن اضافه می کنند.

در غیر این صورت، اجسام ممکن است نیمه صلب، یعنی الاستیک، یا غیر صلب، یعنی سیال باشند. این موضوعات دارای دو بخش کلاسیک و کوانتومی مطالعه هستند.

به عنوان مثال، حرکت یک فضاپیما، با توجه به مدار و موقعیت آن (چرخش)، توسط نظریه نسبیتی مکانیکی کلاسیک توصیف می شود، در حالی که حرکات مشابه یک هسته اتم توسط مکانیکی کوانتومی توصیف می شود.

رشته های فرعی

 در زیر سه نام اصلی شامل موضوعات مختلفی است که در مکانیکی مورد مطالعه قرار می گیرند.

توجه داشته باشید که «نظریه میدان‌ها» نیز وجود دارد که رشته‌ای جداگانه در فیزیک را تشکیل می‌دهد که به طور رسمی از مکانیکی متمایز می‌شود، چه میدان‌های کلاسیک یا میدان‌های کوانتومی. اما در عمل واقعی، موضوعات مربوط به مکانیکی و رشته ها به شدت در هم تنیده شده اند. بنابراین، برای مثال، نیروهایی که بر ذرات وارد می‌شوند اغلب از میدان‌ها (الکترومغناطیسی یا گرانشی) ناشی می‌شوند و ذرات با عمل به عنوان منبع، میدان‌هایی را ایجاد می‌کنند. در حقیقت، در مکانیکی کوانتومی، ذرات خود میدان هستند، همانطور که از نظر تئوری توسط تابع موج توضیح داده شده است.